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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft das Bohren in Metallen und anderen bearbeitbarer
Materialien durch die Verwendung von selbstangetriebenen Rotationsschneidern,
die in einem Werkzeugkörper
getragen werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verwendung von selbstangetriebenen Rotationsschneidern bei der Bearbeitung
(Schneiden) von Metall ist im Zusammenhang mit Drehvorgängen bekannt,
bei denen ein Werkstück
in einer Werkbank gedreht wird. Eine derartige Verwendung ist ebenfalls
im Zusammenhang mit Fräsvorgängen bekannt.
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Die
US-Patente 2 233 724, 2 513 811 und 4 181 049 betreffen frühere und
neuere Beispiele der Verwendung von Rotationsschneidern bei Drehvorgängen. Das
US-Patent 3 329 065 ist ein Beispiel der Verwendung derartiger Schneider
bei Fräsvorgängen.
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Im
Zusammenhang mit der Bearbeitung von Metallen sind selbstangetriebene
Rotationsschneider ringförmige
Elemente, die aufgrund ihrer Austauschbarkeit in einem geeigneten
Träger
oder Werkzeugkörper
häufig „Einsätze" genannt werden,
die viel härter
als die Metalle sind, für
die sie zum Schneiden verwendet werden. Die Schneidereinsätze können in verschiedenen
Geometrien bereitgestellt werden, wobei jedoch flache Unterlegscheibe-artige
Geometrien üblich
sind und häufig
bevorzugt werden, da sich ihre einfache Geometrie auf verringerte
Kosten bezieht. Ein Schneidereinsatz wird in einem Werkzeugkörper zur
Rotation um die Schneiderachse getragen. Entweder durch geeignete
Auslegung eines Fräswerkzeugkörpers und
wie er den Schneider drehbar trägt,
oder durch geeignete Positionierung des Werkzeugkörpers mit
seinem Schneider bezogen auf ein rotierendes Werkstück in einer
sich drehenden Werkbank, werden eine Umfangsschneiderfläche und
eine benachbarte Kante an dem Schneiderelement in eine gewünschte Position
bezogen auf ein zu drehendes oder zu fräsendes Werkstück platziert.
Diese gewünschte
Positionsbeziehung zwischen dem Schneider und dem Werkstück während Schneidvorgänge, bei
denen entweder der Schneider oder und das Werkstücks bezogen zueinander gedreht
werden und der Schneider in das Werkstück bewegt wird, verursacht
die Reibung zwischen dem Schneider und dem Werkstück, um den
Schneider um seine eigene Achse zu drehen. Diese Reibung ist die
Reibung zwischen dem Schneider und Metallspänen, die durch den zwangsweisen
Kontakt zwischen dem Schneider und dem Werkstück gebildet werden. Wenn sich
der Schneider um seine Achse dreht, bewegen sich neue Abschnitte
der Fläche
und Kante des Schneiders in schneidenden Kontakt mit dem Werkstück, während diejenigen
Teile der Fläche
und der Kante, die sich aus diesem Kontakt bewegt haben, im Stande
sind, sich abzukühlen,
bevor das Werkstück
erneut kontaktiert wird. Diese Fähigkeit
eines sich drehenden Schneiders, viel kälter als ein Nicht-Rotationsschneider
unter vergleichbaren Bearbeitungsbedingungen zu bleiben, gibt einem
Rotationsschneider eine bedeutend längere nutzbare Lebensdauer
als einem Nicht-Rotationsschneider.
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Trotz
Anregungen in einiger Literatur über den
Nutzen von selbstangetriebenen Rotationsschneidern bei Bohrvorgängen, wurden,
soweit wie bekannt ist, derartige Schneider bis heute tatsächlich nur
bei Dreh- und Fräsvorgängen verwendet.
Wie vollständiger
in der folgenden ausführlichen
Beschreibung eines beispielhaften Bohrwerkzeugs mit selbstangetriebenen
Rotationsschneidern angemerkt werden wird, haben Dreh- und Fräsvorgänge dahingehend,
wie sie Kräfte
an Rotationsschneider-Einsätze
anlegen, miteinander viel gemeinsam, wohingegen Bohrvorgänge einen
beträchtlich
unterschiedlichen Arbeitsmodus und einen Satz von Schneidereinsatz-Ladebedingungen
und Wirkungen präsentieren.
Diese Unterschiede und ein offensichtlich fehlendes Verständnis von
ihnen stellen eine Barriere für
die erfolgreiche und wirksame Verwendung von selbstangetriebenen
Rotationsschneidern bei Metallbohrvorgängen dar.
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Metallbohren
unterscheidet sich von Bohren aus dem Vollem (drilling). Bohren
setzt die Anwesenheit in einem Werkstück eines grob kreisförmigen zylindrischen
Lochs, Hohlraums oder Durchgangs voraus, deren Wänden zu bearbeiten sind, um
ein zylindrischeres Loch, beispielsweise mit einem spezifizierten
Durchmesser und einer gewünschten
Oberflächenbearbeitung,
bereitzustellen. Bohren ist der Vorgang, der verwendet wird, um
diese Ziele zu erreichen. Andererseits setzt Bohren aus dem Vollem
im Allgemeinen voraus, dass das Werkstück kein Loch, Hohlraum oder
Durchgang an dem Ort von Interesse aufweist; Bohren aus dem Vollem
kann der Vorgang sein, der verwendet wird, um ein derartiges Loch, Hohlraum
oder Durchgang eines spezifizierten Durchmessers und, falls geeignet,
die gewünschte Oberflächenendbearbeitung
zu erzeugen. Bohrungen weisen gewöhnlicherweise Beziehungen von Durchmesser
zu Länge
auf, die viel größer als
die Löcher
sind, die beispielsweise durch Bohren aus dem Vollem erzeugt werden.
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Metallbohrvorgänge stellen
zunehmend Bearbeitungsbedingungen dar, bei denen selbstangetriebene
Rotationsschneider zu großem
Vorteil verwendet werden könnten,
jedoch bis heute nicht so verwendet wurden. Beispielsweise stimulieren
in der Kraftfahrzeugindustrie viele Faktoren, insbesondere Wünsche nach
erhöhten
Kraftstoffwirkungsgrad durch die Verwendung leichterer Fahrzeuge,
Kraftfahrzeughersteller, Motoren zu produzieren, die vorherrschend
aus Aluminium oder anderen Legierungen mit geringem Gewicht oder
anderen Materialien (wie beispielsweise kompaktes Graphit-Eisen,
eine Sonderform von Gusseisen) hergestellt sind, was ermöglicht,
dass der Motorblock insgesamt leichter ist. Aluminium ist attraktiv,
da es leicht und vergleichsweise kostengünstig ist. Aluminium ist jedoch
nicht für
seinen Abriebwiderstand insbesondere bei hohen Temperaturen bekannt,
es sei denn, dass es speziell und kostenaufwändig mit anderen Materialien
legiert wird.
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Kraftfahrzeugmotorblöcke werden
anfangs durch Gussprozesse und dann durch Fertigbearbeitungsprozesse
geformt, die Bohren aus dem Vollem, Anbohren, Fräsen, Bohren und andere Bearbeitungsprozesse
umfassen. Wenn Gussaluminium verwendet wird, um den rohen Motorblock
zu bilden, werden die Wände
der Zylinderbohrungen in diesen Motoren häufig durch eine Metallhülse definiert,
die einen hohen Abriebwiderstand bei hohen Temperaturen aufweist.
Die Zylinderwände
können
dann durch bearbeitete Hülsen,
die in ein bearbeiteten Motorblock eingefügt sind, oder vorzugsweise
durch im Allgemeinen röhrenförmige Stücke aus
derartigem abriebwiderstandsfähigen
Material gebildet werden, um das der Aluminium-Motorblock bei dem
Gießen
des Blocks gebildet wird. In der letzteren Situation ist ein wünschenswertes
Material, das beim Bilden des Zylindereinsatzes zu verwenden ist,
kompaktiertes Graphiteisen oder „CGI". CGI ist aufgrund seiner hohen Zug-
und Scherfestigkeit, die ein Schneider während der Bearbeitung überwinden
muss, ein sehr schwierig zu bearbeitendes Material. Bis heute wurde,
soweit wie bekannt ist, CGI nicht als ein Zylindereinsatzmaterial
bei der Fertigung von Kraftfahrzeugmotorblöcken verwendet. Graues Eisen
(Gusseisen) ist das häufigste
Material, aus dem Produktions-Motorblöcke gegossen und in dem Zylinderbohrungen
heraus gearbeitet werden.
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Transferstraßen werden
häufig
bei der Fertigung eines fertigbearbeiteten Kraftfahrzeugmotorblocks
aus einem rohen Motorblockguss verwendet. Eine Transferstraße umfasst
eine Reihe von Bearbeitungsstationen, durch die ein Motorblock nacheinander
läuft und
bei denen ein oder einige besondere Bearbeitungsvorgänge an einem
Blockguss durchgeführt
werden. Moderne Transferstraßen
sind hoch automatisiert. Rohe Blockgüsse werden manuell oder durch
Roboter oder andere Mechanismen in ein Ende einer Transferstraße geladen,
und fertigbearbeitete Blöcke
werden auf eine ähnliche
An und Weise von dem anderen Ende der Straße entladen. Zwischen den Enden
einer Transferstraße
werden Blöcke
normalerweise nicht von menschlichen Händen berührt. Transferstraßen arbeiten
am effizientesten, wenn die Notwendigkeit minimal ist, abgenutzte
oder stumpfe Metallschneiderelemente an den verschiedenen Bearbeitungsstationen
auszutauschen. Bis jetzt sind, wenn Motorblöcke in automatisierten Transferstraßen für die Bearbeitung
gehandhabt wurden, die Zylinderbohrvorgänge häufig, wenn nicht allgemein,
die Vorgänge,
die die Geschwindigkeit und den Wirkungsgrad der gesamten Transferstraße begrenzen.
Der Grund ist die Notwendigkeit, vergleichsweise häufig Bohrwerkzeuge
auszutauschen, in denen die Metallschneidelemente in den Werkzeugen
angebracht sind und die eine kurze Nutzlebensdauer aufgrund der
hohen Temperaturen aufweisen, die sie erfahren, wenn sie kontinuierlich
verwendet werden. Es ist für
moderne automatisierte Transferstraßen ziemlich üblich, zwei
aufeinanderfolgende Zylinderbohrstationen jeweils für rohes
und halbfertiges Bohren gefolgt von einer Zylinderhonstation aufzuweisen.
Somit ist das Zylinderbohren von Motorblöcken seit langem eine schwierige
Materie in der Kraftfahrzeugindustrie.
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Hinsichtlich
des Vorhergehenden ist ersichtlich, dass bei der Herstellung von
leichten Kraftfahrzeugmotoren in automatisierten Transferstraßen lange
ein bedeutender Bedarf unter anderem nach den Vorteilen selbstangetriebener
Rotationsschneidern bei Metallbohrvorgängen existiert hat. Die Aspekte dieser
Erfindung, die sie für
die verarbeitende Kraftfahrzeugindustrie nützlich machen, machen ebenfalls
die Erfindung in anderen Industrien nützlich, die Metallbohrprozesse
praktizieren.
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Die
US-A-5 478 175 offenbart eine Schneideinsatzanordnung, die einen
drehbaren Schneideinsatz zum Schneiden eines Materials und einen
Rotationsträger
zum drehbaren Tragen des Schneideinsatzes aufweist. Die Struktur
zum Halten des Schneideinsatzes an dem Träger und zum Einleiten der Rotation
des Schneideinsatzes, wenn der Schneideinsatz das Material schneidet,
wird ebenfalls bereitgestellt.
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Die
vorliegende Erfindung ist, wie in den Ansprüchen beansprucht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung ermöglicht,
den oben identifizierten Bedarf vorteilhaftweise anzusprechen. Sie tut
dies, indem unter anderem ein Bohrwerkzeug zur Metallverarbeitung
bereitgestellt wird, bei dem die Schneidoberflächen und -kanten des Werkzeugs Oberflächen und
Kanten von selbstangetriebenen Rotationsschneidereinsätzen sind.
Die Einsätze
werden in einem Bohrwerkzeugkörper
in Positionen getragen, die es ihnen ermöglichen, sich in richtige Richtungen
mit gewünschten
Geschwindigkeiten zu drehen, die ausreichen, um ein ausreichendes
Kühlen
der Schneidoberflächen
und Kanten zu gewährleisten,
wenn das Bohren mit korrelierten Zufuhrraten und Schneideroberflächen-Geschwindigkeiten
voranschreitet.
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Allgemein
gesagt ist ein Strukturaspekt dieser Erfindung ein Bohrwerkzeug,
das einen Körper aufweist,
der entlang einer primären
Werkzeugachse während
des Bohrens drehbar und entlang dieser vorrückbar ist. Der Werkzeugkörper trägt ein sich drehendes
rundes Schneidelement, das an dem Körper zur Rotation um eine sekundäre Achse
angebracht ist, die bezogen auf die primäre Achse feststehend ist. Das
Schneiderelement umfasst eine kreisförmige Schneidkante, die eine
Schneidoberfläche begrenzt.
Die Schneidoberfläche
liegt im Allgemeinen in Richtung der Bohrrotation des Werkzeugkörpers, d.h.
in der Richtung, in die das Werkzeug bezogen auf das Werkstück vorgerückt wird,
wenn das Werkzeug verwendet wird, das Werkstück zu bohren. Die Beziehung
der primären
und sekundären
Achse ist festgelegt, sodass an einer Schneidposition an dem Element,
die an dem Platz des maximalen Abstands der Schneidkante radial
von der primären Achse
angeordnet ist, die Schneidoberfläche radiale und axiale Spanwinkel
bezogen auf die primäre
Achse aufweist. Die radialen und axialen Spanwinkel sind bezogen
zueinander definiert, um die Rotation des Schneiderelements in einer ausgewählten Richtung
um die sekundäre
Achse mit mindestens einem ausgewählten Betrag des Drehmoments
während der
Bohrverwendung des Werkzeugs sicherzustellen.
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Ein
weiterer Strukturaspekt dieser Erfindung wird in einer Schneiderelement-Halterung
für ein
rundes drehbares Schneidelement gefunden, das in einem Bohrwerkzeug
nützlich
ist. Das Werkzeug weist einen Körper
auf, der um eine Werkzeugachse während
des Bohrens drehbar und entlang dieser vorrückbar ist. Die Halterung umfasst
eine Basis und ein ringförmiges
drehbares Schneiderelement, das drehbar durch die Basis zur Rotation
um eine Schneiderachse getragen wird. Das Schneiderelement umfasst eine
Fläche,
die sich im Wesentlichen radial von der Schneiderachse erstreckt,
und ebenfalls eine periphere Schneidkante, die die Oberfläche begrenzt. Die
Halterung umfasst Strukturmerkmale, durch die die Halterung fest
mit dem Werkzeugkörper
in einer vorbestimmten Beziehung mit dem Körper verbunden werden kann.
Diese Beziehung ist eine, bei der sich die Schneidoberfläche des
Elements in die Richtung der Bohrrotation des Werkzeugskörpers um
seine Achse öffnet.
Diese Beziehung ist außerdem
eine, bei der die Schneidoberfläche
des Elements ausgewählte
axiale und radiale Spanwinkel bezogen auf die Werkzeugachse an einer
Schneidposition an dem Element aufweist. Die Schneidposition des
Elements ist der Platz des maximalen Abstands der Schneidkante von
der Werkzeugachse. Die radialen und axialen Spanwinkel weisen Werte
auf, die die Rotation des Schneiderelements um die Schneiderachse
in einer ausgewählten
Richtung mit einem ausgewählten Drehmomentbetrag
bei dem Bohrvorgang des Werkzeugs gewährleistet.
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Ein
Verfahrensaspekt dieser Erfindung liefert ein Verfahren für die Bearbeitung
einer Bohrung eines spezifizierte Durchmessers in einem Werkstück eines
spezifizierten Materials mit einem selbstangetriebenen Rotationsschneiderelement.
Das Verfahren umfasst die Schritte mit Bezug auf die Eigenschaften
des Werkstückmaterials
erste Betriebswerte für
die Elementgeschwindigkeit, die Tiefe des Schnitts und der axialen
Zufuhrrate zu definieren. Das Verfahren umfasst den Schritt des
Festlegens für diese
ersten Betriebswerte die Beziehungen von axialen and radialen Spanwinkeln
des Schneiderelements zu den tangentialen, radialen und axialen Schneidkräften und
dem Drehmoment des Schneiderelements. Das Verfahren umfasst ebenfalls
das Identifizieren von Schneiderelement-Spanwinkeln für maximales Drehmoment in einer
gewünschten
Richtung um die Drehachse des Schneiderelements und das Festlegen
von Lagerkräften
des Schneiderelements an den identifizierten Spanwinkeln. Ein drehbares
Bohrwerkzeug wird bereitgestellt, das einen Schneidpunkt aufweist,
der radial von der Werkzeugachse um einen Abstand beabstandet ist,
der gleich einer Hälfte
des spezifizierten Bohrdurchmesser ist und an der Schneidstelle
die identifizierten axialen und radialen Spanwinkel aufweist. Das
Werkzeug wird mit einer Winkelgeschwindigkeit, die für die definierte
Schneidgeschwindigkeit produktiv ist, und bei der definierten axialen
Zufuhrrate an dem Werkstück
betrieben, um die Bohrung herauszuarbeiten.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorhergehenden und weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung
werden vollständiger
in der folgenden ausführlichen
Beschreibung gegenwärtig
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung dargelegt, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
präsentiert
werden, in denen zeigen:
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1 einen
Seitenaufriss eines Bohrwerkzeugs mit selbstangetriebenen Rotationsschneidern, die
an seinem oberen Ende getragen werden;
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2 eine
obere Draufsicht des Bohrwerkzeugs;
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3 ein
Aufriss einer Rotationsschneider-Halterungsbasis, von denen drei
Bauteile des in 1 und 2 gezeigten
Werkzeugs sind, wobei ein Rotationsschneidereinsatz und andere Bauteile der
Halterung fragmentarisch gezeigt sind;
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4 ein
Aufriss der Halterungsbasis, der entlang der Linie 4-4 in 3 genommen
ist;
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5 ein
fragmentarischer Aufriss des Körpers
des Bohrwerkzeugs ohne die Schneiderhalterungen in dem Körper;
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6 eine
obere Draufsicht des Werkzeugkörpers;
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7 eine
obere Draufsicht eines hinteren Halterungsverriegelungselements;
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8 ein
Aufriss des hinteren Halterungsverriegelungselements;
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9 eine
obere Draufsicht eines vorderen Halterungsverriegelungselements;
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10 ein
Aufriss des vorderen Halterungsverriegelungselements; und
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11 bis 15 graphische
Darstellungen der Beziehungen zwischen bestimmten Variablen, die
für die
Auslegung des in 1 und 2 gezeigten
Bohrwerkzeugs und für
andere Bohrwerkzeuge und Schneiderhalterungen gemäß dieser
Erfindung relevant sind. In jeder der 11 bis 15 ist
die Abszisse (horizontale Achse) der axiale Spanwinkel in Inkrementen
von einem Grad durch den Bereich von –20° (Ursprung) bis 0°. In jeder
dieser graphischen Darstellungen sind die Konturenwerte des radialen
Spanwinkels in 1° Inkrementen
durch den Bereich β =
0° bis β = –20°. Die Ordinaten
(vertikale Achse) in 11 bis 15 sind
wie folgt:
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11:
tangentiale Schneidkraft in Pfund;
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12:
radiale Schneidkraft in Pfund;
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13:
axiale Schneidkraft in Pfund;
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14:
Einsatz-Drehmoment in Pfund-Zoll; und
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15:
Einsatzgeschwindigkeit in Umdrehungen je Minute.
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In
allen Fällen
ist die Schneidgeschwindigkeit gleich 2641 Oberflächenfuß je Minute,
(805 m/min), die Tiefe des Schnitts gleich 0,0157 Zoll(0,40 mm)
und die Zufuhrrate gleich 0,006 Zoll (0,15 mm) je Zahn. Ein Zahn
ist eine Schneidkante in dem Werkzeug. Die Zufuhrrate je Zahn ist
die gesamte Werkzeugvorschubrate je Umdrehung geteilt durch die Anzahl
von Schneidkanten in dem Werkzeug.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 ist
ein Seitenaufriss eines Bohrwerkzeugs 10 gemäß dieser
Erfindung. Das Werkzeug umfasst einen Körper 11, der ein Spindelende 12 aufweist,
wobei benachbart zu diesem der Körper
eine Basis 13 definiert, die der Abschnitt des Werkzeugs ist,
der in der angetriebenen Rotationsspindel einer geeigneten Bohrmaschine
oder eines Bearbeitungszentrums (nicht gezeigt) gehalten wird. Wenn
das Werkzeug in einem Bearbeitungszentrum zu verwenden ist, das
Mechanismen zum automatischen Wechseln von Werkzeugen zwischen dem
Auftreten unterschiedlicher Bearbeitungsvorgängen aufweist, die von dem
Zentrum durchgeführt
werden, beinhaltet die Werkzeugbasis 13 derartige Strukturmerkmale,
wie sie notwendig sind, um ordnungsgemäßes Einrasten, Ineingriffnahme
und Indexieren mit und in den Werkzeug-Handhabungsmechanismen des
Zentrums zu erreichen. Beispielhaft entspricht die Geometrie der
Basis 13 des in 1 gezeigten Werkzeugs den Anforderungen
für Werkzeug-Schankkonfigurationen
und Maschinenwerkzeugspindel-Auslegungen gemäß den ABS-80-Kriterien. Der
Werkzeugkörper
weist ebenfalls ein gegenüberliegendes Bohrende 14 auf. Üblicherweise
ist das Bohrende 14 des Werkzeugs 10 sein niedrigeres
Ende während der
Verwendung des Werkzeugs bei Metallbohrvorgängen. Bei Bohrvorgängen werden
die Wände
eines existierenden, im Allgemeinen kreisförmigen zylindrischen Lochs
oder Hohlraums in einem Metallwerkstück (wie beispielsweise ein
Kraftfahrzeugmotorblock) bearbeitet (weggeschnitten), um eine echte kreisförmige zylindrische
Wandoberfläche
eines spezifizierten Durchmessers zu definieren, der durch die Geometrie
des Bohrwerkzeugs an der Position seines (seiner) Metallschneiderelement(en)
bestimmt wird.
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An
seinem Bohrende 14 trägt
das Werkzeug 10 drehbar drei Rotationsschneiderelemente 15,
die hier ebenfalls als Schneider oder Schneidelemente bezeichnet
werden und die allgemein in der Bearbeitungsindustrie als Einsätze bekannt
sind. Die Schneiderelemente 15 werden aus einem Material
definiert, das viel härter
als das Metall ist, die die Elemente während der Bohrverwendung des
Werkzeugs in Eingriff nehmen werden; ein bevorzugtes Schneiderelementmaterial
ist Siliziumnitrid, ein Keramikmaterial.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt ist, trägt das Werkzeug 10 jedes
Schneiderelement als ein Bauteil eine jeweilige Schneiderelementhalterung 16,
die in der Form einer Kassette ist. Jede Kassette ist ohne weiteres
in den Werkzeugkörper
einsetzbar und aus diesem entfernbar, um den effizienten Austausch
in dem Werkzeug von abgenutzten Schneiderelementen und den Austausch
anderer Kassetten innerhalb der Kapazität des Werkzeugs zu erleichtern,
und ist nützlich,
um Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers zu bearbeiten. Die Schneiderkassetten 16 sind
vorzugsweise identisch und entsprechen in der gezeigten Form im
Allgemeinen den Offenbarungen des US-Patents 4 477 211. Jede Kassette
umfasst eine Basis 18 (auch ein Stator genannt) und ebenfalls einen
Rotor 19, einen Schneidereinsatz 15, einen Spandeflektor 20 und
eine Klemm-Mutter 21, die an einem durch den Stator definierten
Schaft (siehe 3 und 4) angebracht
sind. Obwohl hier nicht gezeigt, jedoch in Übereinstimmung mit dem US-Patent
4 477 211, ist der Rotor vorzugsweise mit dem Statorschaft durch
ein Schublager, ein Nagellager und ein Kugellager gekoppelt. Diese
Lager sind zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet, um den
Rotor an dem Stator drehbar anzubringen und die an den Rotor durch
den Schneidereinsatz während
des Bohrens ange legten axialen Lasten zu dem Stator zu transferieren.
Der Statorschaft bildet tatsächlich
eine Achse, um die sich der Schneidereinsatz drehen kann. Die Klemm-Mutter ist mit dem
Statorschaft über
ein Gewinde 25 verbunden (siehe 3 und 4),
das in dem Ende des Schafts ausgebildet ist, das von dem großen Ende
des Schafts beabstandet ist. Die Gewinde 25 weisen vorzugsweise
eine Gängigkeit
auf, die der Gängigkeit
der Richtung entgegengesetzt ist, in der sich der Schneidereinsatz
um den Statorschaft während
des Bohrens dreht. Somit drehen sich im Werkzeug 10 Einsätze 15 in
Uhrzeigerrichtung (d.h. in einer rechtsgängigen Richtung) um den Statorschaft,
wenn entlang der Schaftachse von dem Gewindeende der Welle aus betrachtet,
und somit sind die Gewinde 24 linksgängige Gewinde.
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Der
Schneiderkassetten-Stator 18 ist ohne weiteres in dem Werkzeugkörper 11 anbringbar
und aus diesem abnehmbar auf Grund der Anwesenheit von Strukturmerkmalen
in dem Stator, die diese Vorteile bieten, und die ebenfalls die
Statorachse 27 veranlassen, eine vorbestimmte feste Position
in dem Werkzeugkörper
bezogen auf die zentrale Achse 28 des Werkzeugkörpers aufzuweisen.
Ein gegenwärtig bevorzugter
Satz derartiger Strukturmerkmale umfasst eine rippenähnliche
männliche
Schwalbenschwanz-Verbindungshälfte 22,
die in der Fläche
des Stators definiert ist, die von den Gewinden 25 entgegengesetzt
ist. Die männliche
Schwalbenschwanzrippe 22 wirkt mit einer rillenähnlichen
weiblichen Schwalbenschwanz-Verbindungshälfte 23 zusammen (siehe
beispielsweise 2), die in der hinteren Fläche einer
jeweiligen Ausnehmung 17 in dem Werkzeugkörper ausgebildet
ist. Die Mittellinie jeder weiblichen Schwalbenschwanzrille ist
herkömmlicherweise
und vorzugsweise parallel zu der Werkzeugachse 28. Die
Mittellinie der männlichen Schwalbenschwanzrippe 22 ist
jedoch in den meisten Fällen
nicht senkrecht zu der Statorschaftachse 27, sondern ist
von der Senkrechten zu dieser Achse um einen Winkel γ verschoben,
der unter den beschriebenen Umständen
den axialen Spanwinkel α des
jeweiligen Schneidereinsatzes definiert (und gleich diesem ist,
wenn er von dem Werkzeugkörper getragen
wird. Dies wird in 3, die ein Aufriss des Kassetten-Stators
ist, von der Seite des Stators aus betrachtet gezeigt, die zu der
Werkzeugachse 28 hin liegt, wenn der Stator in dem Werkzeug über die Schwalbenschwanzverbindung 22, 23 angebracht ist.
Die an dem Stator durch den Rotor 19, den Schneidereinsatz 15,
den Spandeflektor 20 und die Klemm-Mutter 21 belegten
Positionen werden durch gestrichelte Linien in 3 dargestellt.
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4,
die eine entlang der Linie 4-4 in 3 genommene
Ansicht eines Kassetten-Stators 18 ist, zeigt, dass die
männliche
Schwalbenschwanzrippe vorzugsweise nicht an der Statorachse (d.h.
der Achse 27) zentriert ist, sondern seitlich von dieser
Achse zu der Seite des in 3 gezeigten
Stators hin versetzt ist. Dieser Versatz ermöglicht jeder Schwalbenschwanzrille 23 in
dem Werkzeugkörper
an einem Platz definiert zu sein, der ausreichend nach innen von
dem Umfang des Werkzeugkörpers
in der Nähe einer
Ausnehmung 17 ist, um eine starke Verbindung der Statorbasis
mit dem Werkzeugkörper
zu gewährleisten,
und ermöglicht
ebenfalls, dass der Statorschaft vergleichsweise weit von der Werkzeugachse 28 ist,
sodass der Durchmesser des Schneidereinsatzes 15 konsistent
mit dem Durchmesser des Lochs niedrig gehalten werden kann, das
er während der
Verwendung des Werkzeugs 10 schneiden wird. Der Versatz
der männlichen
Schwalbenschwanzrippe 22 von der Achse 27 liefert
ebenfalls ein robustes Strukturmerkmal an dem extremen Gewindeende des
Statorschafts, um zu ermöglichen,
dass das Schaftende wirksam mit dem Werkzeugkörper geklemmt wird, wie in 1 und 2 gezeigt
und wie nachstehend beschrieben ist.
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Weitere
Komponenten der Strukturmerkmale des Stators, die ermöglichen,
die Position der Statorachse 27 bezogen auf die Werkzeugachse 28 festzulegen,
wenn der Stator in dem Werkzeugkörper
angebracht ist, umfassen zwei vorzugsweise flache Oberflächen 30 und 31,
die in dem Statorschaft an dem Abschnitt dem Schaft ausgebildet
sind, der das Gewinde 25 definiert; diese Oberflächen werden
am besten in 3 und 4 gezeigt.
Diese Oberflächen
arbeiten mit einem vorderen Klemmanschlagelement 33 zusammen,
das in 9 und 10 und in seiner installierten
Position in 1 und 2 gezeigt
ist. Eine Statorschaftendoberfläche 30 ist
vorzugsweise parallel zu der Schaftachse 27 und parallel
zu der länglichen
Länge der
Schwalbschwanzrippe 22. Ihre Position in dem Stator wird
in Zusammenarbeit mit der Form einer Werkzeugkörper-Kassettenausnehmung 17 bestimmt,
sodass, wenn eine Kassette in der Ausnehmung über die Schwalbenschwanzverbindung
angebracht ist, die Oberfläche 30 gegen
eine flache Oberfläche 34 der
Ausnehmung 17 liegt. Die Oberfläche 31 ist bezogen
auf die Oberfläche 30 in
allgemeiner keilähnlichen
Zusammenarbeit mit der Oberfläche 30 gewinkelt.
Wie am besten in 2 gezeigt ist, wird die Oberfläche 31 durch eine
rückwärtige (bezogen
auf die Richtung der Bohrrotation des Werkzeugs 10) Zungenverlängerung 35 eines
entsprechenden vorderen Anschlagelements in dem voll zusammengebauten
Bohrwerkzeug in Eingriff genommen. Ein vorderes Klemmanschlagelement
weist einen im Allgemeinen röhrenförmigen Körper 36 auf,
von dem sich die Verlängerung 35 vorzugsweise
radial erstreckt; wobei das Ausmaß der Verlängerung in der Richtung der
Länge des
Körpers 36 geringer
als die Körperlänge von
einem Ende des Körpers
ist. Ein Gewindeloch 37 ist axial in dem Anschlagkörper 36 ausgebildet.
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Bei
einem zusammengebauten Bohrwerkzeug 10 wird ein vorderes
Klemmanschlagelement in einem Hohlraum 39 aufgenommen,
der in dem Werkzeugkörper
im Wesentlichen in der Ausnehmungsoberfläche 34 ausgebildet
ist (siehe beispielsweise 5). Der
Hohlraum 39 ist konturiert, sodass sich ein darin platziertes
Anschlagelement nicht drehen kann, und seine Erweiterung 35 rastet
mit der Oberfläche 31 der
entsprechenden Schneidereinsatzkassette ein. Das vordere Klemmanschlagelement
ist in dem Werkzeugkörper
durch eine Schraube (nicht gezeigt) gesichert, wobei die Innenoberfläche 40 der Anschlagverlängerung
zwangsweise mit der Statorendoberfläche 31 in Eingriff
genommen wird, um das Ende des Statorschafts gegen den Werkzeugkörper in
der Ausnehmung 17 zu klemmen. Die Schraube, die verwendet
wird, um den Klemmanschlag 33 in dem Hohlraum 39 zu
sichern, nimmt den Werkzeugkörper
in einem Gewindeloch 41 in Eingriff, das in dem Körper an
dem Boden des Hohlraums ausgebildet ist.
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Die
korrekte Position einer Schneidereinsatzkassette 16 axial
von dem Werkzeugkörper 11 wird
durch einen Positionierstift 43 definiert (1), der
in einem in dem Werkzeugkörper
ausgebildeten Loch 44 gehalten wird. Das Loch 44 läuft durch
die entsprechende Schwalbenschwanzrille 23, wie es der
in diesem Loch angeordnete Stift tut. Der Stift wirkt als ein Positionierungsanschlag
für die
Schwalbenschwanzrippe, wenn die Kassette in den Werkzeugkörper über die
Schwalbenschwanzrille eingefügt
wird. Somit nimmt der Stift 43 das Ende der Schwalbenschwanzrippe
an dem Ende der Rippe in Eingriff das an dem unteren rechten Eckenabschnitt von 3 gezeigt
ist. Da das längliche
Ausmaß der Schwalbenschwanzrille 23 in
dem Werkzeugkörper parallel
oder im Wesentlichen parallel zu der Werkzeugsrotationsachse 28 angeordnet
ist, definiert die Zusammenarbeit eines Stifts 43 mit der
Kassetten-Schwalzschwanzrippenstruktur die Grenze der Bewegung der
Kassette in dem Werkzeugskörper entlang
der Werkzeugachse 28. Diese Grenze legt ihrerseits – abhängig von
der Länge
der Schwalbenschwanzrippe 22 in der Kassette die Position
des Schneidpunkts dieser Kasset te 55 – entlang der Werkzeugachse 28 fest.
Wie aus den folgenden Beschreibungen ersichtlich sein wird, kann
die Einstellung sowohl der Position eines besonderen Positionierstifts 43 in
dem Werkzeugkörper
als auch die wirksame Länge
einer entsprechenden Kassetten-Schwalbenschwanzrippe verwendet werden,
um die axiale Staffelung eines entsprechenden Schneidereinsatzschneidpunktes
bezogen auf die Schneidpunkte anderer, in dem Werkzeug 10 getragenen Schneideinsätzen festzulegen.
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Die
Schwalbenschwanzrippe einer Kassette wird an dem Werkzeugkörper durch
die Wirkung eines hinteren Klemmanschlagelements 46 geklemmt, das
im Allgemeinen ähnlich
dem jeweiligen vorderen Klammanschlagelement 33 ist, wobei
jedoch die untere Oberfläche
seiner Verlängerung 47 geneigt
ist, um sich gegen eine geneigte Seitenwand der benachbarten Kassetten-Schwalbenschwanzrippe
zu paaren. Jedes hintere Klemmanschlagelement wird in einem jeweils
kooperativ konturierten Hohlraum 48 aufgenommen, das in
den äußeren Seitenoberflächen des
Werkzeugkörpers
rückwärts von
jeder Kassettenausnehmung ausgebildet ist. Jedes Anschlagelement 46 wird
in seinem Hohlraum durch eine Schraube (nicht gezeigt) gehalten,
die mit dem Anschlagelement und dem Werkzeugkörper auf die Art und Weise
zusammenarbeitet, die zuvor für
die vorderen Klemmanschlagelemente beschrieben wurde.
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Das
Bohrende 14 des Werkzeugkörpers 11 ist zentral
ausgenommen, wie bei 50. Die Ausnehmung 50 umfasst
eine Teilkommunikation mit der benachbarten Kassettenausnehmung 17 und
kann während
der Bohrverwendung des Werkzeugs 10 erzeugte Metallspäne unterbringen.
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Obwohl
Schneideinsätze
verschiedenartiger Geometrien in einem Bohrwerkzeug gemäß dieser Erfindung
verwendet werden können,
ist das Werkzeug 10 angeordnet, um ringförmige runde
Einsätze mit
einer kreisförmigen
zylindrischen äußeren Umfangsoberfläche 52 und
flachen parallelen Hauptflächen-Oberflächen, einschließlich einer
vorderen Schneid- oder Spanoberfläche 53, senkrecht
zu der entsprechenden Kassettenachse 27 zu verwenden, die
als eine; Schneiderachse oder als eine sekundäre Achse bezogen auf eine mit
der Werkzeugachse 28 kollinearen primären Achse bezeichnet werden
kann. Die Schneideinsätze 15 sind
derartige Einsätze.
Die kreisförmige
Linie des Schnittpunkts der Einsatzumfangsoberfläche 52 mit der Schneidoberfläche 53 bildet
die Schneidkante 54 des Einsatzes. Der Punkt 55 an
der Schneidkante 54, der den weitesten Abstand von der
Werkzeugachse 28 aufweist, ist der idealisierte Schneidpunkt
des Einsatzes während
des Bohrens, da er der Punkt ist, der den Durchmesser der durch
diesen Einsatz gebohrten zylindrischen Oberfläche bestimmt, wenn das Bohrwerkzeug
gedreht und axial während
des Bohrens vorgerückt wird.
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Die
Begriffe „axialer
Spanwinkel" und „radialer
Spanwinkel" wurden
verwendet, um bestimmte bedeutsame geometrische Beziehungen in Metallschneidwerkzeugen
zu kennzeichnen, die selbstangetriebene Rotations(rotierende)-Schneidereinsätze verwenden.
Der axiale Spanwinkel ist negativ, wenn die Schneiderachse im Allgemeinen
zu dem Werkstück
hin zeigt; im Zusammenhang eines Bohrwerkzeugs bedeutet zu dem Werkstück in die
Richtung des axialen Vorrückens
des Werkzeugs hin. Der axiale Spanwinkel wird von einem Beobachtungspunkt ausgewertet,
der an einer Linie radial von der Werkzeugachse angeordnet ist,
wodurch die Wirkungen des radialen Spanwinkels eliminiert werden.
Der axiale Spanwinkel wird durch den Winkel gemessen, den die Werkzeugachse
mit der Ebene der Schneidfläche
an der Position des Schneidpunkts 55 auf der Schneidfläche 54 macht,
d.h. durch den in 1 gezeigten Winkel α, der im
Wert der gleiche wie der in 3 gezeigte
Winkel γ ist.
Der radiale Spanwinkel wird von einem auf das Bohrende des Werkzeugs
blickenden Blickpunkt an der Werkzeugachse ausgewertet, wobei ein
derartiger Blickpunkt die Wirkungen des axialen Spanwinkels eliminiert.
Der radiale Spanwinkel wird als der eingeschlossene Winkel zwischen einem
Radius 56 von der Werkzeugachse durch den Schneidpunkt
(als eine Grenze des Winkels) und einer Ebene 57 gemessen,
die die Werkzeugachse aufweist und senkrecht (wie vom Blickpunkt
des radialen Spanwinkels aus gesehen) zu der Schneidereinsatz-Rotationsachse,
d.h. der Schneiderachse (als die andere Grenze des Winkels) ist.
Der radiale Spanwinkel ist negativ, wenn der Schneidepunkt in die
Richtung der Werkzeugrotation von der Ebene verschoben wird, die
senkrecht zu der Schneiderachse ist und die die zweite Grenze des
radialen Spanwinkels definiert. Der radiale Spanwinkel β wird in 2 gezeigt
und ist im Werkzeug 10 negativ.
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Wie
oben bemerkt, ist ein bedeutender Vorteil von Metallschneidwerkzeugen,
die Schneidkanten und Flächen
aufweisen, die sich in den Schneidwerkzeugen bewegen, verglichen
mit Werkzeugen, bei denen diese Kanten und Flächen in den Werkzeugen stationär sind,
eine viel längere
nutzbare Lebensdauer unter vergleichbaren Bearbeitungsbedingungen,
unter anderem des Metalls, der Tiefe des Schnitts, der Zufuhrrate
und der Geschwindigkeit des Werkzeugs in seiner Bewegung bezogen
auf das Metall des Werkstücks.
Die längere
Lebensdauer wird durch die Bewegung der Schneidkanten und Flächen in
den Werkzeugen und durch das Kühlen
dieser Kanten und Flächen
bereitgestellt, wenn sich ihre unterschiedlichen Abschnitte zyklisch
aus der und zurück
in eine Schneid-Ineingriffnahme
mit dem Werkstück
bewegen. Damit diese Schneidkanten und Flächen am wirksamsten Metall
von dem Werkstück
entfernen, sollten sie sich in der korrekten Richtung bezogen auf
das Werkstück
und mit einer Geschwindigkeit bewegen, die mit häufig konkurrierenden praktischen
Betrachtungen konsistent ist; zu langsam erzeugt unnötige Erwärmung und
zu schnell stellt andere Probleme dar. Somit wurde seit langem erkannt, dass
die optimale Auslegung von Bearbeitungswerkzeugen, die selbstangetriebene
Rotationsschneidereinsätze
aufweisen, viele Variablen beinhalten, die sich aufeinander in schlecht
verstandenen komplexen Wegen beziehen. Wenn eine optimale geometrisch
bestimmte Auslegung erzielt werden kann, kann es unmöglich sein,
diese Auslegung in einem Schneidwerkzeug geeigneter Größe zu verkörpern, bei
dem das Werkzeug und seine Komponenten ausreichende Strukturfestigkeit
aufweisen, um eine annehmbare Zeit unter tatsächlichen Bedingungen der Bearbeitung
standzuhalten (d.h. zusammen zu bleiben). Als eine Folge dieser
vielen konkurrierenden Faktoren ist die Auslegung eines handelsüblichen annehmbaren
Rotationseinsatzmetall-Schneidwerkzeugs
eine Übung
in Kompromissen, die auf der Grundlage praktischer Erfahrung durchgeführt wird.
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Es
ist bekannt, dass Schneideinsatzrotation durch die Reibung zwischen
dem Einsatz und den bei dem Bearbeitungsprozess erzeugten Späne erzeugt wird,
wenn die Späne über die
Schneidoberfläche des
Einsatzes fließen.
Diese Rotation wird in jeder einzelnen Bearbeitungssituation durch
den axialen Spanwinkel und den radialen Spanwinkel des Einsatzes
beeinflusst. Wenn Metallschneiden auftritt, werden drei orthogonal
zusammenhängende
Schneidkräften
erzeugt. Im Zusammenhang eines Bohrwerkzeugs, wie beispielsweise
des Werkzeugs 10, können
die an einen Einsatz angelegten Schneidkräfte idealisiert werden, als
ob sie an seinem Schneidpunkt angelegt werden. Diese Kräfte sind
eine axiale Kraft, die auf den Einsatz in einer Richtung parallel
zu der Werkzeugachse (z.B. der Achse 28) wirkt, eine radiale
Kraft, die auf den Einsatz in einer Richtung wirkt, die mit einem
Radius des Werkzeugs koinzidiert, und eine tangentiale Kraft, die
senkrecht zu sowohl den radialen als auch den axialen Kräften an dem
Einsatzschneidpunkt ist. Diese Kräfte müssen in der physikalischen
Struktur des Werkzeugs aufgenommen werden und zu einem Drehmoment
führen, das
an dem Einsatz in der gewünschten
Richtung (d.h. in der Richtung, in die sich der Einsatz um seine Achse
zu drehen hat) und mit der gewünschten
Größe angelegt
wird. Die Größe des Drehmoment
des Einsatzes ist für
die Fähigkeit
des Einsatzes bedeutsam, die in seinen Montagelagern inhärente Reibung zu überwinden
und sich mit der gewünschten
Rate zu drehen.
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Das
an einen selbstangetriebenen Rotationsschneidereinsatz angelegte
Drehmoment ist eine Funktion eines komplexen Satzes von Variablen,
die den axialen Einsatzspanwinkel, den radialen Spanwinkel, die
Winkelgeschwindigkeit des Bohrwerkzeugs (d.h. seine Umdrehungen
je Minute), den Radius des Bohrwerkzeugs an dem Einsatzschneidpunkt,
den Radius des Schneideinsatzes, den Reibungskoeffizienten zwischen
der Einsatzschneidfläche
und den Spänen,
die er während
des Bohrens erzeugt, die Tiefe des durch den Einsatz gemachten Schnitts
und die axiale Zufuhrrate des Bohrwerkzeugs umfassen. Weitere Faktoren,
die relevant sind, sind die axialen, radialen und tangentialen Kräfte, die an
den Einsatz an seinem Schneidpunkt angelegt werden. Diese Kräfte beziehen
sich nicht nur auf die Einsatzspanwinkel sondern ebenfalls auf die
Eigenschaften des zu bohrenden Metalls; ein Bohrwerkzeug, das gut
arbeitet, um kompaktiertes Graphiteisen zu schneiden, kann schlecht
oder überhaupt nicht
arbeiten, wenn es verwendet wird, um Aluminium zu schneiden, und
umgekehrt. Werkstückmaterialeigenschaften,
die für
den Bearbeitungsprozess bedeutsam sind, umfassen Zugfestigkeit,
Scherfestigkeit, Härte,
Schmiedbarkeit und Verformbarkeit.
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Beim
Stand der Technik wurde nahe gelegt, dass ein Erhöhen des
radialen Spanwinkels eines Rotationsschneideinsatzes im Allgemeinen
die Geschwindigkeit des Einsatzes um seine Rotationsachse und die
Wärmedissipation
des Einsatzes erhöhen wird.
Obwohl dieser Hinweis im Zusammenhang von Fräs- und Drehbearbeitungsvorgängen gültig sein kann,
ist er im Zusammenhang mit Bohrvorgängen nicht zutreffend. Unter
anderem ist die Position des Einsatzschneidpunktes bezogen auf den
Werkzeugkörper
unterschiedlich, so wie es die Art und Weise der auf den Einsatz
wirkenden Schneidkräfte
sind; es wurde empirisch herausgefunden, dass in bestimmten Fällen das
Erhöhen
des radialen Spanwinkels beim Bohren bewirken kann, dass der Einsatz
sich nicht dreht oder die Rotations richtung umkehrt. Es wurde entdeckt,
dass beim Bohren und möglicherweise
in anderen Zusammenhängen
sowohl die axialen als auch radialen Spanwinkel die Einsatzrotation beeinflussen,
und dass im Allgemeinen der axiale Spanwinkel etwa zweimal so bedeutend
wie der radiale Spanwinkel ist. Das Ändern des axialen Spanwinkels
um 5 Grad hat die zweifache Wirkung auf die Winkelgeschwindigkeit
und Drehmomenterzeugung des Einsatzes, wie es eine Änderung
um 5 Grad in dem radialen Spanwinkel tut.
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Obwohl
es den Anschein haben kann, dass eine arbeitsfähige Rotationseinsatzbohrwerkzeug-Auslegung
das erzeugte Drehmoment maximieren würde, können ernste praktische Schwierigkeiten
auftreten, indem dies getan wird. Wenn das Drehmoment erhöht wird,
so werden einige der Reaktionskräfte
auf die Lager erhöht,
die den Einsatz in dem Werkzeugkörper
anbringen, wodurch die Werkzeuglebensdauer verringert wird. Praktische
Beschränkungen,
die in dem Werkzeugkörper
entstehen, müssen
ebenfalls berücksichtigt
werden. Dünne Querschnitte
in der Werkzeugkörperstruktur
sind zu vermeiden, da sie die Fähigkeit
begrenzen können, eine
Einsatzkassette in dem Werkzeugkörper
sicher zu klemmen und hohe Stressbereiche in dem Körper erzeugen
werden. Diese beiden Situationen werden die Stabilität des Werkzeugs
und den Bohrprozess selber beeinflussen.
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Das
Werkzeug 10, das oben beschrieben und in den begleitenden
Zeichnungen gezeigt ist, ist für
die Bearbeitung einer Bohrung in kompaktiertem Graphiteisen ausgelegt.
Das Werkzeug ist zum Erzeugen einer Bohrung mit einem Durchmesser
von 3,13 Zoll(79,5 mm) und weist einen Radius an seinen Einsatzschneidpunkten
von einer Hälfte
dieser Abmessung auf, d.h. die Einsätze werden keine radiale Staffelung
aufweisen, wenn sie in dem Werkzeugkörper angebracht sind. Die Einsätze des
Werkzeugs 10 weisen ebenfalls keine axiale Staffelung auf,
wenn sie in dem Werkzeug angebracht sind; d.h., die Kontaktpunkte
aller Einsätze
liegen in einer Ebene, die senkrecht zu der Werkzeugachse 28 ist.
Der Durchmesser der Schneidereinsätze beträgt 1,062 Zoll (26,97 mm). Die
Auslegungsspindelgeschwindigkeit beträgt 3200 UpM, die eine Schneidgeschwindigkeit von
2641 SFM (Fuß/min)
(805 m/min) erzeugt. Die Auslegungstiefe des Schnitts beträgt 0,0157 Zoll(0,04
mm). Die Auslegungszufuhrrate beträgt 0,006 Zoll/Zahn (0,15 mm/Zahn).
Ein Zahn ist eine Schneidkante in dem Werkzeug. Die Zufuhrrate je Zahn
ist die Gesamtwerkzeug-Vorschubrate je Umdrehung geteilt durch die
An zahl von Schneidkanten in dem Werkzeug. Jeder Einsatz des Werkzeuges 10 definiert
eine Schneidkante.
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Die
graphischen Darstellungen von 11 bis 15 beschreiben
jeweils die Beziehungen zwischen drei Variablen, die für die Auslegung
des Werkzeugs 10 relevant sind. In jedem Fall sind die
simultanen Variablen der Schneidgeschwindigkeit, der Tiefe des Schnitts
und der Zufuhrrate bei dem oben angegebenen Werten konstant. 11 beschreibt
die Beziehung zwischen der tangentialen Schneidkraft (Ordinate)
in Pfund und dem axialen Spanwinkel α (Abszisse) für unterschiedliche
Werte von radialen Spanwinkeln in dem Bereich von β = 0° bis β = –20° in 1°-Inkrementen. 12 beschreibt
die Beziehung zwischen der radialen Schneidkraft (Ordinate) in Pfund
und den axialen (Abszisse) und radialen (Konturen) Spanwinkeln durch
die gleichen Bereiche (und die gleichen Inkremente) dieser Winkel. 13 beschreibt
die Beziehung zwischen der axialen Schneidkraft (Ordinate) in Pfund
und den axialen (Abszisse) und radialen (Konturen) Spanwinkeln durch
den gleichen Bereich von radialen Spanwinkeln. 14 beschreibt
die Beziehung zwischen dem Einsatzdrehmoment (Ordinate) in Pfund-Zoll über den
gleichen Bereich (und Inkrementbetrag) von axialen (Abszisse) und
radialen (Konturen) Spanwinkeln. 15 beschreibt
die Beziehung zwischen der Einsatzgeschwindigkeit (UpM) über den gleichen
Bereich (und Inkrementbetrag) von axialen (Abszisse) und radialen
(Konturen) Spanwinkeln. Das zu bohrende Material ist kompaktiertes
Graphiteisen. Durch Verwenden der Daten in 11 bis 15 und
durch Auswertung von Lagerkräften
und durch Auswertung von Werkzeugstrukturbeschränkungen durch die Verwendung
von Finite-Elemente-Analyse,
wurde ein axialer Spanwinkel von –15 Grad und ein radialer Spanwinkel
von –7,5
Grad ermittelt. Die Ermittlung dieser Winkel umfasst die Bestimmung
der Spanwinkelkombination, um das Einsatzdrehmoment zu maximieren,
die Analyse der drei Schneidkräfte
für die
Winkelkombination und die Verifizierung, dass der Werkzeugkörper und
die Einsatzhalterungsbeschränkungen
respektiert wurden. Ein Fachmann wird erkennen, dass, obwohl diese Prozesse
in der Natur interaktiv sind, sie nicht lästig sind und mit Kenntnis
der in 11 bis 17 beschriebenen
Beziehungen ohne weiteres zu einer durchführbaren, baubaren und soliden
Bohrwerkzeugauslegung führen.
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Ein
Kraftsimulationsmodell kann verwendet werden, um die Spanwinkel
für die
Schneidereinsätze
zu bestimmen. Das Modell kann die Schneidkräfte, das Einsatzdrehmoment
und die Einsatzrotationsgeschwindigkeit mit Bezug auf die Spanwinkel
erzeugen. 11 bis 15 wurden
durch die Verwendung eines derartigen Kraftsimulationsmodells erhalten
und veranschaulichen Tendenzen. Es sei bemerkt, dass nicht alle
Beziehungen zwischen diesen Variablen linear sind.
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Ein
Fachmann wird ebenfalls ohne weiteres erkennen, dass Bohrwerkzeuge
zur Verwendung sowohl mit anderen Werkstückmaterialien als auch anderen
Betriebsbedingungen konsistent mit den vorhergehenden Beschreibungen
definiert werden können.
Er wird ohne weiteres erkennen, dass Bohrwerkzeugstrukturanordnungen
angenommen werden können,
die von den beschriebenen und gezeigten unterschiedlich sind. Beispielsweise
ist die Gleichheit des Winkels γ in
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3 mit
dem Winkel α in 1 (axialer Spanwinkel)
eine Folge, dass die Ebene der Schwalbenschwanzverbindungen 22, 23 parallel
zu der Werkzeugachse 28 angeordnet ist, und dass unterschiedliche
Schwalbenschwanzebenen-Beziehungen mit der Werkzeugachse zu unterschiedlichen Werten
von γ für den gleichen
Wert von α führen werden,
und dass mit Bezug auf 4 sogar eine nicht normale (von
der Senkrechten verschiedene) Beziehung der Kassettenschaftachse 27 mit
der Schwalbenschwanzebene möglich
ist. Außerdem
können von
Schwalbenschwanzverbindungen unterschiedliche Verbindungen verwendet
werden, um eine Schneideinsatz-Halterungskassette mit dem Werkzeugkörper zu
verbinden. Die Halterung eines Scheideinsatzes an einem Bohrwerkzeugkörper kann
direkter, jedoch möglicherweise
weniger zweckmäßig, durch
die Verwendung einer Kassette durchgeführt werden; die Achse, um die
sich ein Einsatz bei der Verwendung dreht, kann fest definiert sein oder
von dem Werkzeugkörper
getragen werden, und ein Schneideinsatz kann abnehmbar an dieser Achse
mit geeigneten Lagern angebracht sein.
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Ebenfalls
kann angesichts der oben dargelegten Information ein Fachmann, insbesondere
einer mit Erfahrung in der Auslegung und dem Betrieb von Transferstraßen, Spindel-zu-Werkzeug-Paarungs-
und Montageanordnungen sowie der Bearbeitung von Metallen mit unterschiedlichen
Eigenschaften erkennen, dass ein Bohrwerkzeug gemäß dieser Erfindung
Einsätze
aufweisen kann, die, wenn sie in dem Werkzeug angebracht sind, entweder
axiale oder radiale Staffelungen oder beide von ihren Kontaktpunkten
aufweisen werden. Ein Werkzeug mit axialer Staffelung ist eines,
bei dem die Schneidereinsatzkontaktpunkte durch kleine Abstände getrennt sind,
die entlang der Werkzeugachse 28 gemessen wer den. Ein Werkzeug
mit radialer Staffelung ist eines, bei dem die Schneidereinsatzkontaktpunkte
unterschiedliche radiale Abstände
von der Werkzeugachse 28 aufweisen. Die radiale und/oder
axiale Staffelung kann verwendet werden, um das Laden des Werkzeugs
an seiner Montagespindel (und das Laden der Spindel auf seinen Lagern
und Halterungen) verwendet werden, um die Sicherheit und Koaxialität der Verbindung
des Werkzeugs mit seiner Antriebsspindel zu gewährleisten oder zu verbessern, um
Werkzeugrattern beispielsweise während
des Bohrens zu verringern.
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Ein
Bohrwerkzeug, bei dem es keine axiale oder radiale Staffelung der
Schneidereinsätze
bezogen auf die Gesamtwerkzeugachse gibt, ist ein Werkzeug, von
dem sagt, dass es symmetrisch ist. Bei einer früheren Prüfung eines symmetrischen Prototyps des
Werkzeugs 10, wie oben beschrieben, wurde herausgefunden,
dass die Spindellager sehr abgenutzt und lose waren. Diese Prüfung wurde
an der Bohrstation einer Transferstraße zur Bearbeitung von Kraftfahrzeugmotorblöcken durchgeführt; wobei
die Spindelachse an dieser Bohrstation im Wesentlichen horizontal
war. Die Spindel war ausgelegt, um Werkzeuge anzunehmen, die Montageschäfte aufweisen, die
den Kriterien und der Geometrie gemäß ABS 80 entsprechen.
Der Schaft des Werkzeugs war bei dieser Konfiguration nicht ausreichend
starr, und so verhielt sich Werkzeug, als ob es Spiel in seiner
Verbindung mit der Spindel gab, und das Werkzeug arbeitete nicht
gut. Das Werkzeug wurde durch Einstellung der Positionierung der
Schneidereinsätze
in dem Werkzeug modifiziert, um eine radiale Staffelung von 1,27
mm (0,050 Zoll) und eine axiale Staffelung von 0,508 mm (0,020 Zoll)
der Einsätze
in dem Werkzeugkörper
zu erzeugen; wobei die Staffelung zwischen benachbarten Einsätzen gemessen
wird. Diese Modifikation bewirkte, dass jeder der Einsätze während des
Bohrens stärker
belastet wurde; diese erhöhten
Einsatzbelastungen bewirkten, dass das Werkzeug schwerer angemessen
beladen wurde, um Werkzeugrattern in dem Werkstückblockguss ausreichend zu
verringern, so dass der Nutzen und die Betriebsfähigkeit der Erfindung bestätigt wurde.
Diese Prüfung
ermittelte ebenfalls, dass die linearen (nicht verjüngten) Werkzeugschaft-Auslegungskriterien
gemäß ABS 80 verglichen
mit den verjüngten
Werkzeugschaft-Auslegungskriterien gemäß 1SO-50 und HSK-100 schwach
sind, die ebenfalls bekannt sind und bei Transferstrassen und Bearbeitungszentren verwendet
werden. Werkzeuge mit Schäften,
die den HSK-100-Auslegungskriterien entsprechen, werden gegenwärtig bevorzugt.
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Wenn
ein Werkzeug mit einer ABS-80-Schaftkonfiguration zu verwenden ist,
wurde herausgefunden, dass das Werkzeug am besten verwendet wird,
wenn seine Hauptachse 28 senkrecht oder im Wesentlichen
senkrecht angeordnet ist.
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Weitere
Prüfungen
mit anderen Prototyp-Bohrwerkzeugen gemäß dieser Erfindung zeigten
bedeutende Verbesserungen in der Fähigkeit, Zylinder in Motorblöcke aus
CGI und grauem Eisen zu bohren. Ein Werkzeug mit drei axial und
radial gestaffelten selbstangetriebenen Rotationsschneidereinsätzen wies
einen effektiven Durchmesser von 3,139 Zoll (79,73 mm) an seinem
niedrigsten und innersten Einsatz, einen effektiven Durchmesser
von 3,219 Zoll (81,76 mm) an seinem axialen Zwischeneinsatz und einen
effektiven Durchmesser von 3,299 Zoll (83,8 mm) an seinem oberen
und äußersten
Einsatz auf, d.h. eine gleichmäßig radiale
Staffelung von 0,040 Zoll (1 mm); wobei die axiale Staffelung gleichmäßig bei
0,100 Zoll (2,54 mm) war. Dieses Werkzeug war im Stande, das CGI-Zylindermaterial
in 3,4 Sekunden verglichen mit 25 Sekunden mit herkömmlichen Bohrwerkzeugen
zu bohren, und die gebohrte Zylinderlinearität war genauer und die Bohrlochoberflächenendbearbeitung
von einer höheren
Qualität.
Diese Ergebnisse wurden mit Werkzeugen erreicht, die Schaftkonfigurationen
gemäß 1S0-50
und HSK-100 aufweisen.
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Die
in dem vorhergehenden Paragraph beschriebenen Prüfungen wurden mit Motorblockgussteilen
durchgeführt,
in denen ein Kühlmitteldurchgang
in den Gussteilen an einer Zwischenposition entlang der Länge jeder
Zylinderbohrung vorhanden war. Wenn ein derartiges Gussteil mit
herkömmlichen Bohrwerkzeugen
gebohrt wurde, bogen sich die Zylinderwände in dem Bereich des Kühldurchgangs
als Reaktion auf Bohrwerkzeuglasten nach außen und schnellten dann zurück, wenn
diese Lasten nicht vorhanden waren. Das Ergebnis war eine gebohrte Oberfläche, die
zentral einen kleineren Durchmesser als an ihren Enden, d.h. ein
Sanduhreffekt aufwies. Die durch die Verwendung der Bohrwerkzeuge
dieser Erfindung erzeugten gebohrten Oberflächen zeigten einen wesentlich
verringerten Sanduhreffekt.
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Es
wurde durch die oben beschriebenen und weitere Prüfungen herausgefunden,
dass Zylinderbohrvorgänge
in Kraftfahrzeugmotorblöcken
aus CGI und grauem Eisen, die früher
bei zwei Bohrstationen an einer Transferstraße durchgeführt wurden, an einer Station
mit Bohrwerkzeugen gemäß dieser
Erfindung durchgeführt
werden können.
Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass die durch ein Bohrwerkzeug
gemäß dieser
Erfindung zurückgelassene
gebohrte Oberfläche
von so einer hohen Qualität
sein kann, um die Ergebnisse zu verbessern, die bei einer anschließenden Honstation
in einer Kraftfahrzeugmotorblock-Verarbeitungstransferstraße erhalten werden.
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Wenn
eine axiale Staffelung von Schneidereinsätzen in einem Bohrwerkzeug
gemäß dieser
Erfindung gewünscht
ist, sollte die Gesamtstaffelung (Abstand entlang der Werkzeugachse
zwischen den Kontaktpunkten der untersten und obersten Einsätze) definiert
sein, um sicherzustellen, dass der unterste Einsatz keinen unerwünschten
Kontakt mit Abschnitten des Werkstückes unter der Bohrposition macht,
bevor der oberste Einsatz das Ende der Bohrstelle erreicht.
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Ein
Schneidereinsatz kann eine Geometrie aufweisen, die sich von der
bevorzugten Geometrie von Einsätzen
15 in einem Bohrwerkzeug gemäß dieser
Erfindung unterscheidet. Die periphere Oberfläche des Einsatzes und seine
Schneidfläche
können anders
als kreisförmig
zylindrisch bzw. flach sein, wie es zweckmäßig oder gewünscht ist.
Ein Bohrwerkzeug kann die Form einer Bohrstange aufweisen, bei der
ein Schneideinsatz zur Einstellung der Position seiner Rotationsachse
angebracht ist, sodass die axialen und radialen Spanwinkel des Einsatzes
und der effektive Radius der Stange an dem Einsatzschneidpunkt für unterschiedliche
Bohrdurchmesser oder Werkstückmaterialien
verändert
werden kann. Bohrwerkzeuge mit Einstellbarkeit der Einsatzposition,
um sowohl eine axiale als auch eine radiale Staffelung der Einsätze zu erhalten,
werden ebenfalls von dieser Erfindung umfasst. Es ist vorzuziehen,
jedoch nicht erforderlich, dass alle Einsätze und Einsatzkassettenstrukturen
in einem gegebenen Bohrwerkzeug hinsichtlich der Austauschbarkeit
und Ersetzbarkeit gleich sind.
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Ein
Fachmann wird ebenfalls erkennen, dass die vorhergehende Beschreibung
und die begleitenden Zeichnungen am direktesten Bohrwerkzeuge betreffen,
die die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung bilden. Dieser Fachmann wird erkennen, dass die
Beschreibung und die Zeichnungen kein erschöpfender Katalog aller Formen
und Weisen sind, durch die Strukturen und Prozeduren dieser Erfindung
verkörpert
sein können, und
dass Variationen von und Änderungen
in diesen Strukturen und Prozeduren ohne Abweichung von dem Schutzumfang
dieser Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, praktiziert
werden können.